裸眼黑暗视物正变成可能_合肥在线 

裸眼黑暗视物正变成可能

裸眼黑暗视物正变成可能

○创新的上转换纳米颗粒修饰技术及其在视网膜的功能实现

裸眼黑暗视物正变成可能

○从不同水平证明注射小鼠获得红外图像视觉

本报讯 3月1日凌晨零点,中国科大在合肥发布最新科研成果:该校生命科学与医学部薛天教授研究组与美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲教授研究组合作,结合视觉神经生物医学与创新纳米技术,首次实现动物裸眼红外光感知和红外图像视觉能力,突破自然界赋予动物的视觉感知物理极限。

研究组主要成员之一的中国科大生命科学与医学部教授鲍进介绍说,人类看到的可见光,仅是电磁波谱中很小的一部分,目前人类通常借助对近红外光敏感的夜视仪在夜晚视物。“于是,一个大胆的科学设想诞生了,如果人类能够直接看见红外光,就不需要借助笨重的仪器,真正实现裸眼在黑暗中视物。”鲍进说,他们从事这项研究的初衷,是运用物理方式,在不改变眼球生物结构的条件下,突破自然界赋予动物的视觉感知物理极限。

自2013年起,中国科大薛天教授研究组同美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲教授研究组开启合作,历时5年,终于取得重大突破。

科研人员将一种特殊的纳米颗粒注射进小鼠的眼中,让小鼠的视网膜实现对红外视觉的感知。这些纳米颗粒是一种可吸收红外光发出可见光的上转换纳米材料,被近红外光激活产生的信号通过视觉神经,传递到小鼠大脑视觉皮质。多种神经视觉生理实验证明,小鼠的可见光视觉不仅未受影响,小鼠还获得感知红外线的能力,可分辨复杂的红外图像。

此项技术有效拓展了哺乳动物的视觉波谱范围,未来应用前景广阔。一方面可通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料,辅助修复视觉感知波谱缺陷的相关疾病,如红色色盲。另一方面,该研究还将被赋予更多的创新性功能,如眼底药物的局部缓释,光控药物释放等。

该研究成果于2月28日(美国东部时间)在线发表于国际顶级期刊《Cell》上,并被《Cell》杂志作为本期唯一科普视频进行重点推广。众多专家学者给予高度评价。《Cell》审稿人说:“这一工作极具创新性,实验做得很完整,很严谨。”美国俄勒冈大学一位神经科学专家说,这是近年来他看到最有创新性的工作,这项工作最大的意义在于直接利用了生物体的视觉系统,通过物理方法将红外光转化为可见光。

“当前在实验中小鼠对红外线的敏感度并不高,下一步,我们的研究方向是进一步提升和优化这一特殊纳米颗粒对红外线的敏感度。”鲍进表示。据悉,与此研究成果相关的多种应用拓展已在实验室展开。

(记者 蒋瑜香 叶琳玲)

 

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在畅销小说《鬼吹灯之怒晴湘西》中,“卸岭魁首”陈玉楼有一双夜眼,能在黑暗中视物。这么神奇的事情,随着中国科大这一最新成果的发布,正在变成现实。

3月1日,本报记者独家专访该项研究成果的主要合作者之一——中国科大生命科学与医学部鲍进教授,“十个问题”为你揭秘“裸眼黑暗视物”的神奇。

【一问】

记者:为何要从事该项研究?

鲍进:人类看到的可见光,仅是电磁波谱中很小的一部分,因此在没有可见光的情况下,人类什么也看不见。我们无法看到大于700nm的红外线,这是由感光蛋白所固有的物理化学特性所决定的。虽然现在有红外夜视仪,但佩戴还是不便。

在我们的团队中,薛天教授从事视觉研究,我是从事神经系统研究,而美国马萨诸塞州州立大学医学院韩纲教授擅长生物纳米材料制备。于是2013年起,我们开始合作研发可配合眼睛现有结构应用的纳米技术。拓展动物的视觉波谱范围是我们的初衷,以突破自然界赋予动物的视觉感知物理极限。

【二问】

记者:你们从事该项研究的灵感来自哪里?

鲍进:红外线广泛存在于自然界中,但人类的裸眼是看不见的,红外夜视仪的原理之一就是借助红外线光源。如可直接看见近红外光,我们就不需佩戴夜视仪,实现肉眼在黑暗中视物。

于是,我们将一种特殊的纳米颗粒注射在小鼠的眼中,这一材料可以将红外线转化成可见光,让小鼠的视网膜实现对红外视觉的感知。这相当于用这一特殊纳米颗粒替代了复杂的红外夜视仪。实验表示,注射纳米颗粒的小鼠,不仅获得感知红外线的能力,还可以分辨复杂的红外图像。

【三问】

记者:这项研究的技术关键点在哪里?

鲍进:在产生这个研究想法后,我们需要找到一个合适小鼠眼睛的纳米材料。最终我们找到一种可吸收红外光发出可见光的上转换纳米颗粒材料,我们对该纳米颗粒进行了修饰,使其可以牢牢固定在小鼠视网膜感受器细胞表面。

这样修饰后的纳米颗粒成为一种隐蔽的、无需外界供能的“纳米天线”,我们给这种内置的“纳米天线”命名为pbUCNPs,即视网膜感光细胞特异结合的上转换纳米颗粒。

【四问】

记者:小鼠并不会表达,你们如何判断小鼠成功获得感知红外线的能力?

鲍进:我们设计了一系列行为学实验来检验小鼠是否获得红外感知和视觉。比如其中之一,叫做明暗箱,小鼠的天性就是喜欢在黑暗中活动。我们做了两个盒子,一个盒子是没有任何光线的,另一个盒子充满了红外线,小鼠可以在两个盒子间穿梭。我们观察一只普通的小鼠,两个盒子对它没有区别。而当注射了纳米颗粒的小鼠进入盒子后,它明显回避有红外线的盒子,更喜欢待在没有红外线的盒子中。

【五问】

记者:此项技术是不是意味着实验小鼠能在黑暗中看清物体?

鲍进:这项技术虽然拓展了可见光光谱,但并不代表着目前小鼠就能在黑暗中完全看清物体。在当前的实验中,注射了纳米颗粒的小鼠对红外线的敏感度并不高,如果红外线不足,小鼠还是不能在黑暗中可视。下一步,我们的研究将进一步提升和优化这一特殊纳米颗粒对红外线的敏感度,当达到一定程度后,在理论上未来是可能实现在夜晚视物。

【六问】

记者:这一成果让人们对黑暗视物有了更多期待,成果的安全性如何?纳米颗粒是否对眼球有生理影响?

鲍进:这一方法并没有改变眼球的生物结构,而是在视网膜中注射了pbUCNPs纳米材料。我们通过研究发现,pbUCNPs纳米材料具有良好的生物相容性,在获得红外视觉的同时,小鼠的可见光视觉没有受到影响。

【七问】

记者:注射在视网膜的纳米颗粒,是否会一直存在于眼球中?

鲍进:这一纳米颗粒最终会随着机体代谢掉。我们在论文中提到有10周的有效期,但其实后来我们发现,这些纳米颗粒可以在小鼠眼球中能留存更久,并发挥作用。

【八问】

记者:未来这一成果可以运用在哪些方面?

鲍进:随着这一特殊纳米颗粒的灵敏度的增加,完全可以让这项技术的应用范围更广泛。比如通过开发具有不同吸收和发射光谱参数的纳米材料,还有可能辅助修复视觉感知波谱缺陷相关疾病,例如红色色盲。

同时,这种新型的可与感光细胞紧密结合的纳米修饰技术还可以被赋予更多的创新性功能,例如眼底药物的局部缓释、光控药物释放等。研究人员还认为,这一技术可适用于民用加密、安全以及军事活动的潜在红外探测应用。

【九问】

记者:会不会考虑在人眼做实验?人类是否有必要拥有“超级视觉能力”?

鲍进:当前我们没有考虑下一步在人眼上做实验,而且人类是否有必要拥有红外线可视能力,也是一个存在争议的话题。因为对于大多数普通人来说,没有必要在黑暗视物。

【十问】

记者:2月28日晚上11时半左右,我注意到科大在媒体群发出通知,将有一个重磅新闻公布。3月1日零点,科大对外正式公布了该项研究成果,引起媒体和社会广泛关注。这也成为近年来,科大少有的“零点新闻”。为何选择在凌晨零点发布该成果?

鲍进:选择在零点发布,不是因为神秘性,主要是考虑到一个版权问题,需要在《Cell》在线发表后才能发布。 记者 蒋瑜香 叶琳玲